이온교환수지 시스템

보일러 급수를 순수로 제조하는 장치는 크게 이온교환수지시스템과 RO시스템 두 가지로 분류되고, 금번 이온교환수지의 이온 선택성을 이용하는 이온교환수지시스템에 대해 공유하고자 한다.

 

 

 

이온교환수지 시스템

TDS(Total Dissolved Solids)는 수중에 용해되어 존재하는 고형물로 +극성을 띠는 양이온과 -극성을 띠는 음이온으로 분류된다. 이온교환수지시스템은 이러한 이온의 극성을 이용하여 TDS를 H+ 와 OH-로 교환하여 순수(H2O)를 생산하는 장치이다.

 

 

이온교환수지 시스템 운전

1. 양이온 교환수지 운전

양이온 교환수지는 H+ 탑이라고도 하며, 그 이온선택성에 따라 H+ 와 그 외 양이온을 서로 교환한다.

대표적인 양이온 교환수지는 다음 그림과 같이 음극성을 띄는 SO3 - 작용기를 가지고 이온 선택성*이 가장 낮은 H+ 로 치환되어 있다.

* 양이온교환수지의 이온선택성
  Ca2+ › Mg2+ › Na+ › H+

 

<그림1> 양이온 교환수지(음극성 작용기 SO3 - 를 가짐)

양이온 교환수지가 들어있는 양이온 교환수지탑에 원수가 유입되면, 우선 음이온은 그대로 통과하고 (음이온은 양이온 교환수지탑 후단에 설치된 음이온 교환수지탑에서 OH와 교환된다) 양이온은 수지의 작용기인 SO3 -에 치환되어있는 H+ 와 교환된다. 따라서, 양이온 교환수지탑을 통과한 물에는 음이온과 H+ 만 존재하게 된다.

 

 

2. 음이온 교환수지 운전

음이온 교환수지는 OH-탑이라고도 하며, 그 탈염 원리는 양이온 교환수지의 반대로 생각하면 된다.

음이온 교환수지의 이온 선택성은 다음과 같고, OH-의 이온 선택성이 가장 작으므로 음이온 불순물이 OH- 와 교환되어 음이온 교환수지탑을 통과한 물에는 다른 음이온은 없고 OH- 만 존재한다.

* 음이온교환수지의 이온선택성
  SO4 2- › HCO3 - › Cl- › SiO2 - › OH-

 

이렇게 양이온 교환수지탑에서 양이온과 교환된 H+ 와 음이온 교환 수지탑에서 음이온과 교환된 OH가 모여 순수 H2O가 생산된다.

 

 

이온교환수지 시스템 재생 메커니즘

1. 양이온 교환수지 재생

양이온 교환수지 작용기에 결합되어 있던 H+ 와 양이온이 모두 교환되면 더 이상 교환반응을 할 수 없으므로, “재생”을 실시하여 양이온 교환수지를 H+ 로 다시 치환해야 한다. 재생 시 적용되는 원리는 다량의 H+ 를 계속 주입하여, 교환된 양이온을 탈락시키고 H+ 를 다시 원래 상태로 수지에 결합시키는 것이다.

보통 양이온 교환수지 재생 시에는 5~10% 염산 또는 1~4% 황산을 30분 이상 주입한다. (1% = 10,000 ppm)

이렇게 다량의 H+ 를 수지탑에 장시간 투입하면 기존 수지에 결합되어있던 양이온이 비록 H+ 보다 이온 선택성이 높더라도 탈락되고, 이온교환수지에 H+ 가 다시 결합된다.

마지막으로 재생이 완료된 후에는 깨끗한 물로 “린스”를 실시하여 주입되었던 재생액을 완전히 씻어낸다.

이때 재생액을 충분히 주입하여 모든 수지를 H+ 로 치환하는 것도 중요하지만 다량의 깨끗한 물로 “린스”를 충분히 실시해야만 운전 시 생산수에 재생액이 혼입되어 pH가 낮아지는 것을 방지할 수 있다. 재생과 린스에 사용된 물은 산성폐수이므로 폐수처리장으로 보내 처리한다.

 

2. 음이온 교환수지 재생

음이온 교환수지의 재생 시에는 일반적으로 2~8% 가성소다를 사용하여 이온교환수지를 OH로 다시 치환시키고, 이 때도 역시 다량의 깨끗한 물로 “린스”를 완전히 실시해야 생산수가 오염되는 것을 방지할 수 있다.

 

Reference : 한국스파이렉스사코㈜ Steam People Vol.115 / Dec. 2017